温度系数测量

Ch3电子材料与元件温度系数的测量主要内容温度特性的概念实验温度的获得和测量准确度的分析电阻温度系数的测量电容温度系数的测量一、温度特性的概念物理参数温度材料结构和工艺电子材料以及由电子材料制成的元器件其物理参数随温度变化的现象称为温度特性。随温度变化规律的多样由于温度特性变化规律的多样性，因此不能用简单的数学表达式将其表征，通常采用测量方法确定。电子材料温度特性的表征可采用下面三种形式：(1)电阻或电容(或介电系数)的温度系数。参数：αR，αc，αs(2)极限温度下电阻值或电容量(或介电系数)变化百分率。(3)阻值或容量温度循环漂移。一、温度特性的概念1.电阻温度系数：在某一规定的环境温度范围内，温度每改变一度电阻值的相对变化率。用每度百万分之几或1e-6/°C或ppm/°C表示。R1，R2分别是t1，t2时的电阻，t1通常是标准条件下的温度(20±5°C)实际温度系数的大小和符号是随温度改变而变化的，因此电阻器或材料电阻温度系数是在使用范围内，任意温度间的温度系数平均值。一、温度特性的概念αR=TKR=(1/R)(dR/dt)TKR平均=(1/R1)(R2-R1)/(t2-t1)×1e6(ppm/°C)一、温度特性的概念对于温度特性是线性或近似线性，可通过下列温度下达到热稳定后测量确定温度系数。最高环境温度20±5°C最低环境温度20±5°C最后测的温度系数αR=⊿R/(R⊿t)×1e6（1e-6/°C）。式中R是(a)和(c)温度下的阻值，⊿R是(b)和(a)或(d)和(c)温度下的阻值之差。⊿t是(b)和(a)或(d)和(c)的实测温度之差。(a)(b)(c)(d)一、温度特性的概念对于温度特性是非线性，根据电阻器允许的环境温度范围，依次在下列温度下使样品达到热稳定后测量其阻值。表3-1所列各温度点20±5°C表3-1所列各温度点20±5°C(a)(b)(c)(d)相邻两点间的电阻温度系数为：αR=⊿R/(R⊿t)×1e6（1e-6/°C）式中⊿R/R是相邻两点间的阻值相对变化值，⊿t是相邻两点的实测温度差。一、温度特性的概念对于温度特性是非线性，且近似抛物线时，依次在下列温度下使样品达到热稳定后测量其阻值。20±0.1°CR2040±0.1°CR4010±0.1°CR10(a)(b)(c)一、温度特性的概念电阻器的一次温度系数α20和二次温度系数β20分别按下式进行计算。α20=(δ40-4δ10)/60×1e6β20=(δ40-2δ10)/600×1e6式中：δ40=(R40-R20)/R20为温度由20°变为40°时的阻值相对变化；δ10=(R10-R20)/R20为温度由20°变为10°时的阻值相对变化。一、温度特性的概念2.电容温度系数：在极限温度范围内，温度每改变一度，容量的相对变化率。ac=TKC=dC/(Cdt)或介电系数温度系数：aε=TKε=dε/(εdt)同样由于温度系数变化的非线性，故采用容量的平均温度系数ac=(C2-C1)/C1(t2-t1)×1e6（1e-6/°C）C1为室温t1下测得的容量；C2为极限温度下测得的容量。一、温度特性的概念3.极限温度下阻值或容量变化百分率是对变化为非线性产品，确定其在极限温度下的阻值或容量相对于20±2°C时，阻值或容量的相对变化率：阻值变化率⊿R%=(R1-R0)/R0×100%容量变化率⊿C%=(C1-C0)/C0×100%式中：R1、C1为在极限温度下测得的阻值和容量；R0、C0为在20±2°C下测得的阻值和容量一、温度特性的概念4.阻值或容量温度循环漂移：是确定电阻和电容器经受正、负温度循环期间或温度循环之后，阻值或容量相对于室温的最大相对不可逆变化。有时称为阻值和容量稳定性系数。测量条件如下：最低环境温度±3°C20±2°C最高环境温度±2°C20±2°C(a)(b)(c)(d)20±2°C(e)阻值和容量温度漂移为：一、温度特性的概念（a）阻值负温度循环漂移容值负温度循环漂移（b）阻值正温度循环漂移容值正温度循环漂移（c）阻值正、负温度循环漂移容值正、负温度循环漂移Ra、Ca、Rc、Cc、Re、Ce分别为在a、c、e点所测得的阻值和容量，通常选用上述一组或最大的δ值我国用温度系数来表征温度特性。二、实验温度的获得和测量准确度的分析当实验温度高于室温：电热鼓风恒温箱200~300°精度±1°空气循环当温度控制精度要求更精确采用超级恒温箱，采用热水或油循环调节温度，温度控制精度在±0.1°二、实验温度的获得和测量准确度的分析当实验温度低于室温：可采用冰箱、低温箱或冷冻设备。简易制冷可采用盐冰混合物、干冰加不同比例酒精或液氮。典型电阻及电容与温度的关系二、实验温度的获得和测量准确度的分析电阻器阻值与温度关系电容器容值与温度关系实际测量由于采用平均温度系数，这是造成温度系数测量误差的重要原因。当绝对误差一定时，⊿t选择越大，温度造成的误差降低，从而使温度系数的测量误差小。二、实验温度的获得和测量准确度的分析不同的⊿t下温度系数误差与温度测量误差的关系不同的⊿t下不同阻值测量准确度对温度系数误差的影响减小误差的方法:二、实验温度的获得和测量准确度的分析（1）采用鼓风加热设备或热容比较大的媒质进行热传导，提高温度均匀性；（2）对箱体内温度分布进行测量，采用校正曲线修正温度随位置的分布；（3）控制升温速度来减少热惰性的影响，通常规定每分钟不超过4°C；（4）采用灵敏传感器，如电阻温度计等，配合PID控制，提高控制灵敏度和精度。三、电阻温度系数测量电阻温度系数的测量方法:1.间接测量法间接测量通常采用两箱法：将电阻样品置于规定的T1、T2下达到热平衡，利用上面章节介绍的各种电阻测量仪，分别测量其阻值，然后按照温度系数定义及公式计算得到。直接测量通常采用不平衡电桥或极限电桥原理：图中所示为极限电桥，其桥接网络实际上就是惠斯顿电桥，其不同之处在于有一灵敏的零点指示器和一精密电位器。工作原理：正常工作下，精密电位器调节置于中间位置。常温时改变RN来平衡Rx；当温度升高时，Rx阻值改变，这是用精密电位器来补偿，因此，可根据电位器改变的数值直接读出电阻器Rx的温度系数。三、电阻温度系数测量2.直接测量法电阻温度系数的测量方法:极限电桥原理精密电位器三、电阻温度系数测量电位器每边有500个刻度，其阻值为500Ω，所以电位器每改变一个刻度则代表0.01%的改变量，最大可读±5%的电阻值相对变化量。因此，当确定温度改变量⊿T后可直接将刻度盘标记为电阻温度系数值。电阻温度系数的测量方法:变化范围9.5K-10.5K四、电容温度系数测量电容器温度系数的测量方法:电容器温度系数测量有：两箱法和差频谐振原理方法。一般采用第二种方法，因为⊿C变化很小，用一般方法测量误差大，且不方便，采用差频法简单易行，测量精度也较高。原理：将被测电容接入测量振荡器的振荡回路，与另一参数振荡器进行差拍。因被测电容器未接入时，两振荡器频率相等，差拍得到零差。接入被测电容器后，两振荡器差拍失去零差，只有减小测量振荡回路中的标准可变电容器容量才使之恢复零差，则标准电容器减少之容量为待测电容器容量。四、电容温度系数测量差频法原理图由于电容的温度特性，当被测电容在不同温度时，得到零差时标准电容器减小的电容值不同，因此可利用此来确定待测电容器的温度系数。（1）在温度T1时，零差标准可变电容读数为C1，回路总电容C1+Cx；。因回路谐振频率不变，所以C2+Cx+⊿C=C1+Cx又因ω2=1/(L(C1+Cx))所以Cx=1/(ω2L)-C1则TKC=⊿C/(Cx⊿T)=⊿Cω2L/(⊿T(1-ω2LC1))四、电容温度系数测量（2）在温度T2时，改变标准可变电容，使之恢复零差，此时电容读数为C2，回路总电容C2+Cx+⊿C；。另外可利用振荡频率的变化测量温度系数回路谐振频率与其参数存在下面关系：当Cx变化很小时，⊿Cx《Cx+C，可以求出Cx的增量⊿Cx四、电容温度系数测量因为L给定，只要使（C+Cx）为一常数，则⊿Cx和⊿f就存在固定的线性关系。根据电容温度系数可知四、电容温度系数测量式中K为一常数KY在同一测量波段内，当Cx在2C附近变化时，也可视为常数测试误差曲线测试从图可以看出，在1.6C≤Cx≤2.4C范围内，Y可近似认为是一常数，其误差不大于1%；在1.4C≤Cx≤2.8C范围内，Y可近似认为是一常数，其误差不大于2%，因此可以认为ac和⊿f之间近似地存在着固定的线性关系，只要测出⊿f值，就可确知被测电容温度系数。四、电容温度系数测量频率法测试步骤a.在温度T1下，接入被测电容器Cx到振荡器回路，调谐电容C，使两振荡器在同一频率上，经混频后得到零拍；四、电容温度系数测量b.使Cx加热到T2，因为Cx变为Cx+⊿C，则振荡器频率发生相应的变化，因而与参考振荡器产生一差频⊿f，测得此差频，即测得温度系数。四、电容温度系数测量基于上述测试原理，模拟人工调节程序，作出了数字式电容温度系数测量仪，测量结果直接数字显示。其构成包括：测量部分、显示部分、加温装置和温度控制。四、电容温度系数测量当被测电容温度系数较大时，或者电容改变量⊿Cx较大时，将会带来较大的误差，因此，必须在仪器中进行误差校正，提高测量精度。从上面分析可得：从若令Cx=2C（因Cx在1.4C-2.8C范围变化时，误差不大于2%），则：3本章基本要求了解电子材料和元器件的温度特性，了解测量中的温度循环；掌握电阻器、电容器温度系数的定义；掌握温度系数的测量方法，重点是极限电桥的工作原理和电容器温度系数的测量原理。